向 鹏,黄晓梅，张团慧，闫乙亮，苏 毅**

(1.昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650500；2.凉山矿业股份有限公司 昆鹏公司，四川 凉山 615141)

氯化钾作为我国农业、工业和医疗中的重要原料[1-6]，其需求量的逐年增加与资源短缺形成了尖锐的矛盾。因此，从各种废弃物资源中提取氯化钾具有重要的意义。炼铁烧结烟尘灰是钢铁企业的主要固体废弃物之一，约占我国烟尘灰总量的2/3。由于很多铁矿石原料中含有较高的钾、钠等碱金属元素，在高温烧结过程中这些碱金属元素会挥发至烟气中，通过除尘系统的凝结、氧化就会扑集进入除尘灰中。而一般除尘灰会重新配料循环利用，在这过程中会使钾、钠等碱金属逐步富集从而达到很高的含量。我国炼铁烟尘会年产量能达到800万t以上，其中富钾炼铁烧结烟尘灰的年产总量约能达到300万t。而炼铁烟尘灰中氯化钾的含量按平均值20%计算，每年约有60万t的氯化钾，占我国氯化钾进口总量的10%。因此，从富钾烟尘灰中提取氯化钾，不仅能实现资源的二次利用，而且能降低我国氯化钾的进口量。

我国对炉灰或炼铁烟尘灰中氯化钾的提取研究已开始起步[7-8]，但由于其中所含元素的不同，浸取和净化的方法也不尽相同。由于K、Na等碱金属元素主要以氯化物形态存在，有很好的水溶性，因此实验主要通过水浸取研究炼铁烧结烟尘灰中K+的浸取规律。

1 实验部分

1.1 实验原料

实验中所用原料为山东蓬莱某公司炼铁烧结烟尘灰，通过对该炼铁烧结烟尘灰荧光分析可知，其主要元素为Cl、K、O、Na、Fe、Pb、Ca、Cu、S、Ag等，见表1。

表1 主要化学元素分析结果

实验原料的能谱分析图见图1。

通过能谱分析可以看出，原料中含有大量的钾、氯、氧及一定量的铁、铅、钠和钙等，硫含量很少，钾、钠主要以氯化物的形式存在，而铁、铅等主要以氧化物和少量的氯化物形态存在。实验中按GB 6549—2011《氯化钾》中钾的分析方法进行分析测定，炼铁烧结烟尘灰原料中w(钾)为19.82%(折算成钾元素的含量)。

E/keV图1 炼铁烧结烟尘灰能谱分析

1.2 主要仪器

电热恒温水浴锅：HH-S224，江苏省医疗器械厂；精密电动搅拌器：DJ1C，江苏省金坛市大地自动化仪器厂；鼓风干燥箱：FN101-3，长沙仪器仪表厂；循环水式真空泵：SHZ-D(III)，巩义市英峪予华仪器厂；电子天平：LT2002，常熟市天量仪器有限责任公司；电子分析天平：TB-214，上海诺顶仪器设备有限公司。

1.3 实验方法

将炼铁烧结烟尘灰与水按一定比例加入500 mL烧杯中，在水浴锅中搅拌，使可溶性氯化钾、氯化钠等溶于水。过滤，用150 mL水分3次洗涤滤渣，滤渣放入鼓风干燥箱中干燥至质量恒定，称量并研磨，分析渣中的w(钾)。

1.4 分析方法

按GB 6549—2011《氯化钾》中钾的分析方法进行分析。

2 结果与讨论

由于烟尘灰中钾、钠等碱金属的水溶性极强，不需要添加其它浸取试剂就能让钾、钠等直接浸取出来，因此直接选用水来浸取钾元素。

2.1 浸取温度对浸取率的影响

温度为常温(20 ℃)～70 ℃，浸取时间为30 min，液固比(水 mL/烟尘灰 g,下同)为2∶1，搅拌速度为350 r/min，考察温度对钾浸出率的影响,见图2。反应完成后，过滤分离，水洗涤3次(50 mL/次)，干燥滤渣至质量恒定。

由图2可以看出，随着浸取温度的增加，钾的浸出率呈现小幅度递增的趋势，当反应温度由常温增加到70 ℃时，钾的浸出率由95.59%上升到97.90%，上升幅度为2.31%。这主要是由于氯化钾的溶解度随着温度的升高而增大，在一定的液固比条件下，随着温度的升高，可溶解的氯化钾量逐渐增大，说明提高温度，有利于提高氯化钾的浸出率。由此还可以说明，炼铁烧结烟尘灰中的氧化钾水溶性较强，极易溶解在水中。但由于常温下烧结烟尘灰中钾的浸取率已经可以达到95.59%，随着温度的增加，钾的浸出率缓慢递增，增幅不大，且从能源利用来看，高温还存在能耗问题，因此，综合考虑，选择浸取温度常温为实验最佳工艺条件。

t/℃图2 反应温度对钾浸出率的影响

2.2 浸取时间对浸取率的影响

浸取温度为常温(20 ℃)，浸取时间为10～50 min，液固比为2∶1，搅拌速度为350 r/min。反应完成后，过滤分离，水洗涤3次(50 mL/次)，干燥滤渣至质量恒定。

浸取时间对浸出率的影响趋势图图3。

t/min图3 浸取时间对钾浸出率的影响

由图3可以看出，随着时间的增加，钾的浸出率呈现先增后减的趋势。当浸取时间由10 min增加到30 min时，钾的浸出率由90.53%增加到95.59%，增加了5.06%；当浸取时间由30 min继续增加到50 min时，钾的浸出率呈略微下降的趋势，由95.59%降到了94.15%，下降了1.44%，降幅不大。由此可以说明，浸取时间为30 min是钾浸取实验的最佳条件，因此选择浸取时间30 min为实验最佳工艺条件。

2.3 液固比对浸取率的影响

浸取温度为常温(20 ℃)，浸取时间为30 min，液固比分别为1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，搅拌速度350 r/min。浸取完成后，过滤分离，水洗涤3次(50 mL/次)，干燥滤渣至质量恒定。

液固比对钾浸出率的影响趋势图见图4。

液固比/(mL·g-1)图4 液固比对钾浸出率的影响

由图4可以看出，随着液固比的增加，钾的浸出率呈递增的趋势。当液固比由1∶1增加到2∶1时，钾的浸出率由92.73%增加到95.59%，增加了2.86%。当液固比由2∶1增加到5∶1时，钾的浸出率由95.59%增加到97.15%，增加了1.56%，是一个缓慢上升的过程。原料中w(钾)=19.82%(折算成氯化钾的质量分数为37.79%)，100 g原料中含有37.79 g氯化钾，而常温(约25 ℃)下氯化钾的溶解度约为35.5 g，同时随着溶液中氯化钠含量的逐渐增加，会影响氯化钾的溶解度，使氯化钾的溶解度降低，由于实验使用的原料中含有一定量的氯化钠，所以当实验液固比为1∶1时，所得的滤液已是氯化钾的饱和溶液，因此氯化钾浸出率较低。当液固比逐渐增大时，虽然氯化钾的溶解度没有增加，但氯化钾的溶解总量在逐渐增加，所以实验液固比由1∶1增加到2∶1时，氯化钾的浸出率有较大幅度的增加，且随着液固比的逐渐增加，氯化钾的浸出率逐渐增大。综合考虑到最后需要对氯化钾进行蒸发结晶做成产品，故考虑选用液固比2∶1作为实验最佳工艺条件。

2.4 搅拌速度对浸取率的影响

浸取温度为常温(20 ℃)，浸取时间为30 min，液固比为2∶1，搅拌速度分别为150、250、350、450、550 r/min。浸取完成后，过滤分离，水洗涤3次(50mL/次)，干燥滤渣至质量恒定。

搅拌速度对钾浸出率的影响趋势图见图5。

搅拌速度/(r·min-1)图5 搅拌速率对钾浸出率的影响

由图5可以看出，随着搅拌速度的增加，钾的浸出率呈现先增加后降低的趋势。当搅拌速度由150 r/min增加到350 r/min时，钾的浸出率由94.46%上升到95.59%，上升幅度为1.13%；当搅拌速度由350 r/min增加到550 r/min时，钾的浸出率由95.59%下降到了92.96%，下降幅度为2.63%。这是由于提高搅拌速度，增强了液体的传质和扩散，让氯化钾能够迅速扩散在溶液中，使溶解率逐渐升高。但当搅拌强度达到一定程度后，继续提高搅拌速度，固相与液相的相对运动反而下降了，固液两相界面的传质速率减小，导致氯化钾的溶解率降低。因此，实验选择搅拌速度350 r/min为最佳工艺条件。

3 结 论

(1) 用水浸出烧结炼铁烟尘灰中氯化钾是可行的，钾的浸出率可达95.59%；

(2) 水浸出炼铁烟尘灰的最佳工艺条件：液固比为2∶1，浸取时间为30 min，浸取温度为室温(20 ℃)，搅拌速度为350 r/min。

参 考 文 献：

[1] 陈五平.无机化工工艺学中册：硫酸、磷肥、钾肥[M].北京：化学工业出版社，2001:20-300.

[2] LI F,YUAN J,LI D,et al.Study on the structure of aqueous potassium chloride solutions using the X-ray diffraction and Raman spectroscopy methods[J].Journal of Molecular Structure,2015,1081(5)：38-43.

[3] LI LI,RE FU-KAITI,HY CHEN,et al.Effect of different potassium chloride content and way on yield and quality of processing tomato by drip irrigation in xinjiang [J].Northern Horticulture,2014(7):162-166.

[4] SAVELLI L,FABBRI F,DONATO N D,et al.Heterotopic interstitial pregnancy successfully treated with ultrasound-guided potassium chloride injection in the ectopic embryo[J].Journal of Obstetrics & Gynaecology,2014,34(3):276-277.

[5] SOGLIA F,PETRACCI M,MUDALAL S,et al.Partial replacement of sodium chloride with potassium chloride in marinated rabbit meat[J].International Journal of Food Science & Technology,2014,49(10):2184-2191.

[6] WEI Y L,MENG Y,TIAN T,et al.Inhibitory effect of potassium chloride as a sodium chloride substitute on biogenic amines in dry-cured perch[J].Food Science,2014,35(3):90-95.

[7] 贾海龙,潘明亮.石灰炉炉灰提取氯化钾试验研究[J].轻金属,2007(9):17-20.

[8] 张福利,彭翠,郭占成.烧结电除尘灰提取氯化钾实验研究[J].环境工程,2009,27：337-340.